熊興旺 高鑫磊 于津濤 高俊華

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量建模研究

熊興旺 高鑫磊 于津濤 高俊華

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

利用增壓柴油機(jī)外特性試驗數(shù)據(jù)，將用于計算增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量的經(jīng)驗公式系數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定，建立增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量估算模型。通過ESC和ETC試驗分別進(jìn)行增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況與動態(tài)工況模型預(yù)測流量與實測流量的對比驗證。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)工況時，模型中兩擬合公式結(jié)合使用，相對誤差在（-10%,+10%）范圍內(nèi)；瞬態(tài)工況時，模型預(yù)測流量相對于試驗流量的跟隨性都較好，在瞬態(tài)小流量工況時選用一次擬合關(guān)系式計算效果更好。

1 前言

柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量對于研究渦輪增壓柴油機(jī)的工作過程與渦輪增壓器的選型匹配至關(guān)重要[1]。目前柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量的建模主要從能量守恒和質(zhì)量守恒角度展開[2]，從根據(jù)理想氣體方程并考慮充氣效率、掃氣系數(shù)等參數(shù)的影響對進(jìn)入氣缸的空氣流量估算[3]角度展開，針對增壓器、中冷器、EGR等子系統(tǒng)的全部[4]或一部分[5]進(jìn)行建模。這些建模方法為了獲得相對較高的計算精度，一般考慮的影響因素較多，模型較復(fù)雜，模型中需要標(biāo)定的參數(shù)較多。實際應(yīng)用中由于不同柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式不同（比如有無EGR），影響了模型的可移植性。

以前的研究中擬合得到了增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)混合氣進(jìn)氣流量關(guān)于轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門開度等參數(shù)的兩個關(guān)系式[6]。本文在一臺增壓柴油機(jī)上進(jìn)行外特性試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對兩擬合公式中的系數(shù)重新標(biāo)定，建立增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量估算模型。根據(jù)GB17691—2005[7]標(biāo)準(zhǔn)在同一臺增壓柴油機(jī)上又進(jìn)行ESC試驗和ETC試驗，分別獲取穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況試驗數(shù)據(jù)并與模型預(yù)測流量值進(jìn)行對比驗證。

2 試驗臺架與試驗方案

試驗所用發(fā)動機(jī)為采用分流過濾器（PFF）+DOC技術(shù)路線、滿足國Ⅴ排放法規(guī)的高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)，其參數(shù)如表1所列。

試驗中采用AVL公司DynoRoad 204/8 Sx型交流電力測功機(jī)，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩934 N?m，額定吸收功率220 kW，轉(zhuǎn)速誤差±0.1%，轉(zhuǎn)矩誤差為滿量程的±0.4%。采用AVL T-06AMFM1200A型空氣流量計量系統(tǒng)來測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣流量，測量范圍0～1 200 kg/h，測量精度±1%，響應(yīng)時間12 ms。采用AVL T-06ACM1600A.A001型進(jìn)氣調(diào)節(jié)單元對進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)氣壓強(qiáng)控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±0.1 kPa；溫度控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±0.5℃；濕度控制精度（穩(wěn)態(tài)）為±3%相對濕度。

表1 試驗用柴油機(jī)性能參數(shù)

為了探究增壓柴油機(jī)是否具有和增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)相同形式的規(guī)律，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速單位采用kr/min[8,9]，選取上述增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1.0～3.2 kr/min、間隔0.1 kr/min的外特性試驗穩(wěn)態(tài)工況點用于公式擬合，并進(jìn)行ESC穩(wěn)態(tài)工況試驗和ETC瞬態(tài)工況試驗。

3 柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量計算模型

3.1 進(jìn)氣歧管壓力的測量

柴油機(jī)壓縮空氣從中冷器出口至流入進(jìn)氣歧管時不存在節(jié)流壓力損失，中冷器后壓力和進(jìn)氣歧管壓力相差很小。圖1為ESC試驗和ETC試驗中柴油機(jī)中冷器后氣體壓力和柴油機(jī)進(jìn)氣歧管壓力的對比圖。

圖1 ESC和ETC試驗中冷器后和進(jìn)氣歧管氣體壓力對比

從圖1可以看出，無論是穩(wěn)態(tài)工況還是瞬態(tài)工況，中冷器后測得的壓力值和進(jìn)氣歧管處測得的壓力值差別微小，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況時絕對誤差不超過3 kPa，ETC瞬態(tài)循環(huán)工況時絕對誤差不超過7 kPa。為了避免進(jìn)氣歧管處安裝壓力傳感器對進(jìn)氣狀態(tài)造成影響，同時為了測量方便，臺架試驗中用中冷器后壓力傳感器測得的壓力值近似代替進(jìn)氣歧管壓力值進(jìn)行建模計算。

3.2 流量與轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力的擬合關(guān)系

該增壓柴油機(jī)外特性試驗各穩(wěn)態(tài)工況點試驗中轉(zhuǎn)速與對應(yīng)的空氣進(jìn)氣流量如圖2所示。

圖2 擬合公式所選取工況點的數(shù)據(jù)

構(gòu)造變量β1=n?PICO，其中n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，kr/min；PICO為中冷后氣體絕對壓力，kPa。β1與柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 流量與構(gòu)造變量β1的關(guān)系

由圖3可以看出，進(jìn)氣流量與該構(gòu)造變量間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，將兩變量用線性多項式擬合為：

其中，a1、a0為擬合系數(shù)，擬合式相關(guān)系數(shù)r為0.998 2?？梢姡琺fair與構(gòu)造變量β1之間線性關(guān)系較為強(qiáng)烈。

3.3 流量與油門、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力的擬合關(guān)系

由前文可知，增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)上關(guān)于流量計算的線性擬合關(guān)系式規(guī)律同樣適用于增壓柴油機(jī)。柴油機(jī)噴油量大小受到油門開度信號控制，為了探究油門開度信號對于空氣進(jìn)氣流量的影響，將增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中節(jié)氣門開度信號用增壓柴油機(jī)油門信號來代替，構(gòu)造變量β2=（n?PICO）?ln（n?α），α代表柴油機(jī)油門信號大小，其原大小取值范圍是0～100，為避免取對數(shù)運算得到負(fù)值，將α最小值調(diào)整到一個大于零的小開度α0，最終α取值范圍定義為：α＞α0，則α取原值；若α≤α0，則令α=α0。觀察柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量與該構(gòu)造變量的關(guān)系，可以得到圖4，用三次多項式擬合得到式（2）。

圖4 流量與構(gòu)造變量β2的關(guān)系

式中，bi為擬合系數(shù)，該擬合式的相關(guān)系數(shù)r為0.998 4。

可見，mfair與構(gòu)造變量β2之間的多項式關(guān)系也較為顯著，擬合結(jié)果比較理想。

4 試驗驗證

4.1 穩(wěn)態(tài)工況驗證

選取ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗的13工況點進(jìn)行對比。試驗工況點如表2所列。

表2 ESC循環(huán)試驗13工況點

將試驗測量得到的轉(zhuǎn)速、中冷后壓力、油門開度信號以及空氣進(jìn)氣流量等數(shù)據(jù)代入擬合公式計算，計算值與試驗值對比如圖5所示。

圖5 ESC試驗中流量實測值與計算值對比

由圖5可以看出，穩(wěn)態(tài)工況時，一次擬合多項式和三次擬合多項式的計算結(jié)果都較穩(wěn)定，但均存在一定誤差；在怠速工況時，一次擬合多項式的計算結(jié)果較接近試驗值，三次擬合多項式計算結(jié)果偏小，而在其余穩(wěn)態(tài)工況時，計算值相對于試驗值均偏大，且三次擬合關(guān)系式得到的結(jié)果精度高于一次擬合多項式。

油門開度變化對應(yīng)于發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化。三次擬合關(guān)系式中構(gòu)造變量β2考慮了發(fā)動機(jī)負(fù)荷對進(jìn)氣流量的影響，能更全面的反應(yīng)發(fā)動機(jī)工況對于進(jìn)氣流量的影響，三次擬合關(guān)系式在除低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷之外的穩(wěn)態(tài)工況時計算精度普遍高于一次擬合關(guān)系式。在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況時排氣能量較低[10]，渦輪增壓幾乎不起作用，此時發(fā)動機(jī)處于自然吸氣狀態(tài)，三次擬合關(guān)系式計算值誤差較大，說明該工況下不適用。

為了更直觀的定量分析兩公式計算的相對誤差，計算得到ESC試驗中兩擬合公式計算值與試驗值的相對誤差如圖6所示?？芍?，在怠速工況時，一次擬合關(guān)系式計算相對誤差分布在（0,+10%）區(qū)間內(nèi)，三次擬關(guān)系式誤差很大；在其余穩(wěn)態(tài)工況時，三次擬合關(guān)系式的相對誤差均小于一次擬合關(guān)系式的誤差，且均位于（-10%,+10%）區(qū)間內(nèi)。所以用于穩(wěn)態(tài)工況流量計算時，可以采用在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時選用一次擬合關(guān)系式計算，在其余工況時選用三次擬合關(guān)系式計算的方式。

圖6 ESC試驗中擬合公式的計算相對誤差

4.2 瞬態(tài)工況驗證

為檢驗兩擬合公式對瞬態(tài)工況的計算效果而進(jìn)行ETC瞬態(tài)循環(huán)試驗，試驗各工況對應(yīng)的扭矩與轉(zhuǎn)速如圖7所示。

將空氣進(jìn)氣流量實測值與計算值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖8所示。

圖7 ETC試驗中各工況對應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速

圖8 ETC試驗中流量實測值與計算值對比

從對比結(jié)果可以看出，在瞬態(tài)工況時一次擬合關(guān)系式空氣進(jìn)氣流量的計算值相對于試驗值跟隨性好，滯后時間短，誤差較小，計算精度較高；三次擬合關(guān)系式相對于試驗值偏離較大，尤其是在流量值小于200 kg/h工況時。

三次擬合式計算瞬態(tài)工況進(jìn)氣流量精度較低，主要原因是進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量的變化滯后于油門信號的變化。油門開度大小發(fā)生變化時，噴油量隨之改變，排氣能量也隨之改變，驅(qū)動渦輪進(jìn)行增壓的能力也發(fā)生變化，從而引起進(jìn)氣歧管壓力和空氣進(jìn)氣流量的改變。瞬態(tài)工況時發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力和空氣進(jìn)氣流量沒有充分的時間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，某一時刻測得的瞬態(tài)進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量只是向穩(wěn)態(tài)過渡的中間值，進(jìn)氣歧管壓力和進(jìn)氣流量的變化要滯后于油門信號的變化，因此瞬態(tài)計算時若考慮油門信號會帶來較大誤差。所以，在瞬態(tài)工況流量預(yù)測時，應(yīng)選用一次擬合關(guān)系式。

5 結(jié)束語

a.增壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)上得到的關(guān)于混合氣進(jìn)氣流量的擬合規(guī)律同樣適用于增壓柴油機(jī)。增壓柴油機(jī)空氣進(jìn)氣流量與構(gòu)造變量β1之間具有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，同時空氣進(jìn)氣流量和構(gòu)造變量β2之間也具有明顯的多項式擬合關(guān)系；

b.根據(jù)ESC試驗驗證，用于穩(wěn)態(tài)工況計算時，兩擬合公式分別在某些工況下有較高精度，兩公式結(jié)合起來用于穩(wěn)態(tài)工況流量計算可將相對誤差控制在較小范圍內(nèi)；

c.ETC試驗驗證表明，一次擬合關(guān)系式計算精度高于三次擬合關(guān)系式，瞬態(tài)工況進(jìn)氣流量計算時應(yīng)優(yōu)先選用一次擬合關(guān)系式；

d.擬合得到的兩個經(jīng)驗公式形式簡單，計算涉及的參數(shù)少，需要標(biāo)定的系數(shù)少，可移植性好，可用于增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況的空氣進(jìn)氣流量預(yù)測。

1 黃粉蓮,紀(jì)威,周煒.渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量的計算與仿真.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013（3）:62～68.

2 孫曉輝.柴油機(jī)進(jìn)氣過程的數(shù)值仿真研究:[學(xué)位論文].濟(jì)南：山東大學(xué),2011.

3 歐陽明高,李建秋,楊福源.汽車新型動力系統(tǒng):構(gòu)型、建模與控制.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

4 段樹林,歐陽明高,劉崢.渦輪增壓柴油機(jī)動態(tài)仿真的研究.大連海事大學(xué)學(xué)報,1999（2）:78～81.

5 Bai L,Yang M.Coordinated Control of EGR and VNT in Turbocharged Diesel Engine Based on Intake Air Mass Observer.SAE Technical Paper,2002-01-1292.

6 熊興旺.天然氣摻氫發(fā)動機(jī)平均值模型建模與驗證:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2015.

7 GB 17691—2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

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9 Hendricks E,Chevalier A,Jensen M,et al.Modelling of the Intake Manifold Filling Dynamics.SAE Technical Paper 960037,1996.

10 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年8月1日。

Modeling Research on Air Intake Flow of Turbocharged Diesel Engine

Xiong Xingwang,Gao Xinlei,Yu Jintao,Gao Junhua
（China Automotive Technology&Research Center,Beijing 100176）

With the full load test data of the turbocharged diesel engine,coefficients of empirical formulas applied to calculate air intake flow of turbocharged gas engine were re-calibrated to construct the diesel engine air intake flow estimation model.And ESC steady state tests and ETC transient tests were conducted respectively,then simulation results were compared with the test results.The results showed that under steady state condition,the relative error was in the range of(-10%,+10%)by jointly use of the two fitting formulas.Under transient condition,the following performances of simulation results are good,and the one order fitting formula is better for small air intake flow calculation.

Turbocharged diesel engine,Air intake flow,Modeling

渦輪增壓柴油機(jī) 進(jìn)氣流量 建模

U464.1

A

1000-3703（2017）02-0030-04